作者：天津大學  職  遠  張丁超  劉俊杰 深圳市華凈科技有限公司  夏群艷

 

　　以我國某新建的半導體晶圓廠潔凈室氣態(tài)化學污染物測試結果為例，利用長期在線檢測和現(xiàn)場實測相結合的方法，完成了從建造到潔凈室空態(tài)運行的全過程測試，分析了安裝化學過濾器前后、潔凈室運行前室內(nèi)氣態(tài)化學污染狀況的變化情況及環(huán)境控制效果。并對比了室外空氣環(huán)境及運行前后污染物種類的不同，確定了潔凈室不同氣態(tài)化學污染物的污染源信息。測試發(fā)現(xiàn)，新風機組的化學過濾器實際去除效率僅僅達到50%，無法滿足規(guī)范中70%的要求。而微電子潔凈室的酸性污染物主要來自于室外空氣，氨氣濃度較高，來源于室外空氣和水泥等建筑材料；凝結物的污染源主要是室內(nèi)源，來自室內(nèi)的裝修材料、清洗劑及生產(chǎn)工藝材料。

 

　　隨著信息技術的飛速發(fā)展，我國微電子相關的工業(yè)潔凈廠房市場規(guī)模大幅增長，從2011年的400億元飛速增加到2017年的1000億元，同比增長了150%，到2020年，我國微電子潔凈室市場規(guī)模將超過1 400億元 。而隨著大規(guī)模集成電路芯片線寬不斷變窄，超低濃度分子級別的氣態(tài)化學污染物已經(jīng)成為了影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展和良品率的主要因素 。氣態(tài)化學污染物是指空氣中以氣體或蒸氣形式存在的分子級污染物，在微電子潔凈室環(huán)境中，氣態(tài)化學污染物又被稱為氣態(tài)分子污染物（airborne molecular contaminant， AMC），目前最權威的分類依據(jù)是國際半導體技術與材料協(xié)會（SEMI）發(fā)布的電子潔凈室受控環(huán)境的標準。該標準將AMC分為4類：1） 酸類（MA），如SO2、NO2、H2S等酸性污染物；2） 堿類（MB），如NH3、胺類等堿性污染物；3） 凝結物（MC），民用建筑中稱同樣的氣體為氣態(tài)有機污染物（TVOC），會在產(chǎn)品表面產(chǎn)生凝結，如甲苯、苯等有機物；4） 摻雜物（MD），如磷、硼等污染物。有的文獻中也提出了第五類：其他（ME），即臭氧等不在以上分類中的其他AMC 。還有一種更細致的分類方法是根據(jù)國際標準化組織（ISO）發(fā)布的ISO 14644-8:2013將潔凈室內(nèi)的AMC分為：酸、堿、生物毒素、可凝聚物、腐蝕物、摻雜物、有機物和氧化物8類。

 

　　當AMC存在時會造成半導體晶圓表面的污染、腐蝕連接導線等情況，從而危害產(chǎn)品質(zhì)量。因此，控制微電子潔凈室內(nèi)AMC對保證產(chǎn)品良品率至關重要。而環(huán)境控制的基礎是確定目標污染物的狀況，如污染物的種類、濃度、源頭等信息。只有確定了目標污染物的狀況及污染源，才能有的放矢地采取相應的手段對微電子潔凈室內(nèi)的AMC進行控制，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

 

　　確定微電子潔凈室內(nèi)AMC狀況的方法是現(xiàn)場測試，但是由于微電子潔凈室內(nèi)AMC的體積分數(shù)極低，可以達到10-9甚至10-12級別，因此常規(guī)的民用建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）檢測方法，如電化學儀器、分光光度法等已經(jīng)無法準確測得微電子潔凈室內(nèi)AMC的實際濃度。由于環(huán)境控制屬于廠家保密的技術范圍，而且普通學者也很難有機會進入微電子潔凈室內(nèi)進行測試，因此，目前還鮮有文獻對微電子潔凈室內(nèi)的AMC狀況進行從建造到試運行全過程的現(xiàn)場測試研究。Muller和Tsao等人分別對位于美國和中國臺灣的微電子潔凈室內(nèi)的AMC進行了測試。但是他們的測試結果存在以下問題：1） 微電子潔凈室AMC的濃度不是恒定的，而是在不斷波動，因此他們測得的單一恒定的濃度值并不能反映微電子潔凈室AMC的真實狀況；2） 只是測得了潔凈室內(nèi)AMC濃度值，缺乏相關環(huán)境的對比，無法確定微電子潔凈室環(huán)境中的目標污染物及污染溯源的信息。同時，目前SEMI及ISO等組織發(fā)布的微電子潔凈室污染物控制規(guī)范僅僅對微電子潔凈室內(nèi)AMC的濃度進行分級，并沒有對目標污染物、污染源、濃度限值等作出規(guī)定。所以國內(nèi)對于微電子潔凈室AMC狀況和污染源的研究還存在空白，直接制約我國半導體芯片制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

 

　　本文針對我國某新建微電子潔凈廠房，采用在線監(jiān)測和現(xiàn)場測試相結合的方法，分析微電子潔凈廠房從建筑外圍護結構施工到生產(chǎn)線未運行的”靜態(tài)”狀況下，安裝化學過濾器前后AMC的濃度、種類及變化情況。以建造全壽命周期的時間尺度分析微電子潔凈室建造過程中的AMC動態(tài)變化狀況，并與相關文獻中污染物種類與濃度進行對比，分析微電子潔凈室建材、大氣環(huán)境及生產(chǎn)工藝等源頭污染物散發(fā)狀況，得到污染源特征及目前微電子潔凈室環(huán)境控制系統(tǒng)的不足，從而指導微電子潔凈室在建造過程中有的放矢地采取有效措施，降低AMC的濃度。

 

　　1、測試內(nèi)容與方法

 

　　1.1 項目概況

 

　　該微電子潔凈廠房位于我國長三角地區(qū)，產(chǎn)品為半導體晶圓片（wafer），于2019年建成，2020年底正式投入生產(chǎn)。測試區(qū)域為半導體晶圓廠的電子光刻工藝區(qū)潔凈室，開始測試時生產(chǎn)設備和通風系統(tǒng)都已經(jīng)安裝完畢，測試過程中生產(chǎn)設備不運行，通風系統(tǒng)正常運行，新風機組內(nèi)裝有化學過濾器。測試總時長80 d， 包括潔凈室內(nèi)未安裝FFU（風機過濾單元）化學過濾器及安裝FFU化學過濾器后的時間段。新風機組包括進風段→粗效過濾段→中效過濾段→一級加熱段→一級表冷段→淋水段→二級表冷段→二級加熱段→加濕段→風機段→緩沖段→化學過濾段→高效過濾段→出風段，共14個功能段。不含水洗凈化功能，除了化學過濾器，沒有可以凈化AMC的設備。新風機組將處理后的新風送入潔凈室，待測區(qū)域為潔凈室內(nèi)獨立的單元，新風通過該區(qū)域上方的FFU系統(tǒng)送入測試區(qū)域。

 

　　1.2 測試內(nèi)容與方法

 

　　本次測試采用長期在線監(jiān)測與現(xiàn)場實地采樣測試相結合的方式。根據(jù)ISO 14644-8:2013 及ISO 10121:2014 的規(guī)定，選擇SO2、NO2、NO、H2S4種常見的酸性氣體作為MA的特征污染物，選擇NH3作為MB的特征污染物。潔凈室內(nèi)的SO2、NO2、NO、NH3、H2S的濃度值采用在線監(jiān)測的方式收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集時間間隔為1 d。在潔凈室選取4個平行測試點位，點位的選擇根據(jù)測試區(qū)的面積，參考ISO 14644-8:2013的要求確定，測試方法為GB/T 36306—2018《潔凈室及相關受控環(huán)境空氣化學污染控制指南》中推薦的化學發(fā)光法和紫外熒光法。測試點位分布如圖1所示。將分析儀裝至待測位置，分析儀連接轉(zhuǎn)化爐，轉(zhuǎn)化爐再與采樣泵相連。測試開始時將這3臺設備打開，潔凈室內(nèi)的空氣通過采樣泵以0.2 L/min的流量進入轉(zhuǎn)化爐，在轉(zhuǎn)化爐中經(jīng)過反應后進入分析儀，得到污染物濃度。MC濃度通過手持式PID分析儀（型號ppbRAE 3000）在每天同一時刻測試記錄，分析儀測得的是TVOC的濃度，單組分的MC濃度通過蘇瑪罐現(xiàn)場采集潔凈室內(nèi)氣體，然后通過濃縮，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)動儀（GC-MS）分析得到。本文最終展示的MA與MB的數(shù)據(jù)是4個測試點位每天的濃度平均值。測試儀器的具體信息如表1所示。

 

　　

 

　　圖1 潔凈室測試點位分布圖

 

　　

 

　　2、測試結果

 

　　2.1 安裝FFU化學過濾器前AMC濃度水平分析

 

　　在潔凈室安裝FFU化學過濾器之前，從2019年10月下旬開始測試，連續(xù)45 d監(jiān)測的MA與MB的體積分數(shù)如圖2所示。

 

　　

 

　　圖2 未安裝FFU化學過濾器時MA與MB監(jiān)測結果

 

　　從圖2可以看出，微電子潔凈室內(nèi)AMC濃度波動很大，不同種類的污染物濃度也有很大的不同。按照ISO 14644-8:2013潔凈度表達方法，測試期間，SO2的平均體積分數(shù)為4.69×10-9，即ISO-AMC-6（SO2）;NO2的平均體積分數(shù)為26.71×10-9，即ISO-AMC-5（NO2）;NO的平均體積分數(shù)為27.31×10-9，即ISO-AMC-5（NO）;NH3的平均體積分數(shù)為114.83×10-9，即ISO-AMC-4（NH3），NH3潔凈等級最低。在未安裝FFU化學過濾器的條件下，NO2濃度比SO2濃度高很多，大約是SO2濃度的7倍，而該城市11月室外空氣中SO2和NO2的平均體積分數(shù)分別為8×10-9和58×10-9，與筆者所在課題組前期對我國大氣化學污染分析得到的NO2為主要關注的化學污染物的結論一致 。潔凈室內(nèi)這2種污染物的濃度與大氣中2種污染物濃度的數(shù)值高低規(guī)律相吻合。可以判斷，MA的主要來源是室外大氣。此外，新風機組內(nèi)的化學過濾器對降低大氣中AMC的濃度有一定的效果，以SO2和NO2濃度來計算，新風機組的化學過濾器的去除效率在50%左右，而我國GB/T 36306—2018中的要求是新風機組化學過濾器凈化效率達到70% 。由此可見，實際的化學過濾器的運行效果并不能達到規(guī)范的預期要求，僅靠新風機組的化學過濾器的作用還無法滿足規(guī)范的控制要求。同時，室外空氣中NH3的體積分數(shù)大約在（50～100）×10-9之間 ，此時潔凈室內(nèi)NH3濃度明顯高于室外空氣水平，因此可以斷定潔凈室內(nèi)NH3一方面來自室外空氣，另一方面主要來自于水泥等建筑材料。

 

　　MC的測試結果如圖3所示，測試期間MC的平均質(zhì)量濃度為2 118.23 μg/m3，證明在潔凈室內(nèi)裝修材料中存在大量VOC源 。

 

　　

 

　　圖3 未安裝FFU化學過濾器時MC監(jiān)測結果

 

　　2.2 安裝FFU化學過濾器后AMC濃度水平分析

 

　　在潔凈室安裝FFU化學過濾器（改性活性炭濾料）之后，從2019年12月中旬開始測試，共測試31 d。檢測得到的MA（SO2與H2S）與MB的濃度如圖4所示，MC的濃度如圖5所示。

 

　　

 

　　圖4 安裝FFU化學過濾器后MA與MB監(jiān)測結果

 

　　

 

　　圖5 安裝FFU化學過濾器后MC監(jiān)測結果

 

　　由圖4、5可以看出，安裝FFU化學過濾器后各種污染物的濃度都下降了，尤其是MB和MC呈現(xiàn)逐時快速下降的趨勢，此時MB的潔凈等級上升至ISO-AMC-5，MC的潔凈等級也上升至ISO-AMC-5，說明FFU化學過濾器對于控制AMC有顯著效果。各種污染物控制效果如表2所示。

 

　　

 

　　2.3 MC污染源分析

 

　　利用蘇瑪罐采樣結合GC-MS分析方法獲得的單組分MC的測試結果如表3和圖6所示。

 

　　

 

　　

 

　　圖6 MC體積分數(shù)及比例

 

　　由表3和圖6可以看出，在未運行的半導體晶圓廠潔凈室內(nèi)，MC污染物主要是苯類、烷烴及烯烴。其中苯類占了83%，其來源應該是潔凈室內(nèi)的裝修材料，如油漆、防水填料、黏合劑等 。而烷烴和烯烴由于濃度很低，而且不具備腐蝕性，不考慮它們對潔凈室工藝產(chǎn)品的腐蝕作用。

 

　　此外，對比相關的電子潔凈室測試結果，除了表3列舉的污染物之外，結合檢出率和污染物濃度的高低，在運行的微電子潔凈廠房中常見的MC污染物及其濃度如表4所示。

 

　　表4列舉的是文獻中提到的半導體晶圓廠潔凈室內(nèi)常見的MC污染物，但是在本次測試中卻未檢測到。說明這些污染物的來源不是建筑材料或大氣，應該是潔凈室”動態(tài)”情況下在生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生的。其中，乙醇和異丙醇應該來源于潔凈室內(nèi)清洗產(chǎn)品所用的清洗劑，而含氟的幾種MC應該是生產(chǎn)工藝中各種化學試劑產(chǎn)生的污染物。綜上所述，微電子潔凈室的MC的污染源主要是室內(nèi)源，來自室內(nèi)的裝修材料、清洗劑及生產(chǎn)工藝材料。為了靶向分析MC源頭，應當在潔凈室”動態(tài)”情況下按照不同工藝場景采樣測試分析其成分。

 

　　

 

　　3、結論

 

　　1） 半導體晶圓廠潔凈室的MA主要來自于室外空氣，MB來源于室外空氣和水泥等建筑材料。

 

　　2） 潔凈室新風機組的化學過濾器對于降低大氣中污染物對室內(nèi)的影響有一定的作用，但是效率達不到環(huán)境控制要求，為了控制室內(nèi)濃度達到生產(chǎn)需要，還應該安裝針對無機化學氣體的FFU化學過濾器。

 

　　3） 微電子潔凈室的MC的污染源主要是室內(nèi)源，來自室內(nèi)的裝修材料、清洗劑及生產(chǎn)工藝材料，潔凈室采樣檢測需要重視。

 

　　本文引用格式：職遠，張丁超，劉俊杰，等.半導體晶圓廠潔凈室氣態(tài)化學污染物測試及污染源分析[J].暖通空調(diào)，2021，51（3）：46-50

 

　　文章來源于：暖通空調(diào) 公眾號